[发明专利]一种高强韧陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本申请涉及陶瓷材料领域，具体公开了一种高强韧陶瓷复合材料及其制备方法，陶瓷复合材料的制备方法包括：按比例称取陶瓷基粉体、单质Si粉、粘接剂、分散剂和去离子水，混合制浆后，成型制坯得到素坯，素坯经高温氮化处理后，单质Si粉原位生成立体交联β‑Si₃N₄晶须网络，获得多孔β‑Si₃N₄/陶瓷复合坯体；将复合坯体浸入偶联剂溶液中改性处理，烘干后，采用浸渍工艺将液态有机碳源充填进入改性复合坯体内部孔隙；将复合坯体进行高温真空碳化；将碳化坯体进行高温真空熔渗Si，熔体Si与残留碳反应生成SiC，剩余孔隙被Si充填。本申请提供的陶瓷复合材料的制备方法，能够制备得到致密的高强韧陶瓷复合材料。

技术领域

本申请涉及陶瓷材料的领域，更具体地说，它涉及一种高强韧陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

陶瓷材料具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀及化学稳定性的优点，广泛应用于航空航天、通讯传输、机械加工、生物医学、精细化工等领域。然而，韧性较差是陶瓷材料共性的缺陷，增韧改性一直是工程陶瓷领域的难题，也是重要研究方向，主要的增韧手段包括添加晶须或纤维增韧、微裂纹增韧和相变增韧三种。

陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶，因而具有很高的强度，是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体。其中，β-Si₃N₄晶须具有高强度、高韧性、高模量以及耐高温等特点，常见的晶须直径在0.1-10μm，长径比可达10-1000，是性能优异的增强增韧材料，通常加入到陶瓷原料粉体中，混合后压坯烧结形成陶瓷复合材料。

针对上述中的相关技术，发明人认为存在以下缺陷：β-Si₃N₄晶须呈现针状或纤维状，作为陶瓷添加剂，在使用过程中难以被分散，会形成大大小小的蓬松的絮状团块，导致陶瓷材料难以烧结致密，且对陶瓷复合材料的增韧效果有限。

发明内容

为了改善β-Si₃N₄在陶瓷复合材料中的增韧效果，本申请提供一种高强韧陶瓷复合材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种高强韧陶瓷复合材料制备方法，采用如下的技术方案：

一种高强韧陶瓷复合材料制备方法，包括以下步骤：

(1)混料：按照配比称取原料，外加去离子水混合制成浆料，所述原料包括以下重量百分比的各组分：基体由陶瓷基粉体和单质Si粉组成，陶瓷基粉体占比为50-90wt％，单质Si粉占比为10-50wt％；粘接剂添加量为基体总量的0.5-5wt％，分散剂添加量为基体总量的0.1-1wt％；外加去离子水的添加量为基体与粘接剂、分散剂总量的50-200wt％；

(2)成型：采用步骤(1)的浆料成型制坯，得到素坯；

(3)原位氮化：将步骤(2)所得素坯，进行氮化处理，得到多孔β-Si₃N₄/陶瓷复合坯体；

(4)改性处理：将步骤(3)所获得的多孔β-Si₃N₄/陶瓷复合坯体浸入偶联剂溶液改性处理后，干燥，得到改性多孔复合坯体；

(5)渗碳处理：将步骤(4)所得改性多孔复合坯体浸入液态有机碳源浸渗，得到渗碳坯体；

(6)高温碳化：将步骤(5)所得渗碳坯体高温碳化处理，得到多孔碳化坯体；

(7)高温熔渗：将步骤(6)所得多孔碳化坯体高温熔渗Si，反应完全后冷却，得到陶瓷复合材料。